基于倒塌準則的單層3D打印混凝土建筑地震性能參數的量化研究
《Journal of Building Engineering》：Quantification of Seismic Performance Parameters for Single-Story 3D Printed Concrete Buildings Based on Collapse Criteria
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時間：2026年03月03日
來源：Journal of Building Engineering 7.4
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3D打印混凝土建筑抗震設計研究提出RC框架3DPC墻體系并通過FEMA P695方法量化其抗震性能參數，確定響應修正系數1.5、超強系數2.7和變形放大系數1.9。研究受限于3DPC墻體平面水平響應試驗數據不足，可能導致性能系數保守估計。
H. Chen | S. Sharma | M. Aghajani Delavar | P. Sideris
德克薩斯A&M大學土木與環境工程系Zachry
摘要
基于三維（3D）擠出技術的混凝土打印技術，也稱為增材混凝土施工，代表了建筑行業和結構工程領域的一個潛在范式轉變。然而，3D打印混凝土（3DPC）建筑的抗震設計仍是一個尚未充分發展的領域。本研究通過提出一種抗震力抵抗系統（SFRS）來填補這一空白，該系統采用了最近開發的3DPC結構墻設計，稱為“RC框架3DPC墻”，并根據FEMA P695程序量化了該系統的關鍵抗震性能參數，例如響應修正系數，這是通過ASCE 7-22的等效側向力程序進行傳統結構抗震設計所必需的。FEMA P695評估針對30個典型結構（或每個水平方向60個SFRS）進行，抗震性能系數是根據可接受的倒塌概率選定的。評估過程包括靜態單調分析和循環推覆分析以及增量動態分析（IDAs）。靜態推覆分析使用了基于殼單元和框架單元的詳細數值模型，而IDA則使用了基于桁架單元的簡化數值模型。根據評估結果，建議所提出的SFRS的設計采用1.5的響應修正系數、2.7的超強度系數和1.9的撓度放大系數。這些值與普通鋼筋砌體剪力墻的值非常接近。需要注意的是，由于缺乏關于3DPC墻結構在平面內水平荷載下性能的實驗室測試數據，本研究的結果可能較為保守。
章節摘錄
引言
混凝土3D打印技術，也稱為增材混凝土施工，由于其能夠降低生產成本、縮短施工時間等優點，有可能徹底改變建筑行業和住房市場。3D打印混凝土通過自動化實現連續、快速的生產，并消除了對模板的需求[3]。由此帶來的施工成本降低使得住房和其他基礎設施更加經濟實惠。
研究范圍
盡管3DPC施工相比傳統施工方法具有多項潛在優勢，但其應用仍然有限，尤其是在地震頻發地區，其中一個原因是缺乏相關的抗震力抵抗系統（SFRS）和抗震設計方法。作者最近提出了一種適用于SFRS的3DPC結構墻設計，稱為“RC框架3DPC墻”[34, 42]，并推導出了相應的強度設計方程[34, 39]。
3DPC建筑中的抗震力抵抗系統（SFRS）
3DPC建筑可以由3DPC墻、RC柱和RC灌漿單元組成。對于每個外墻組件，所提出的SFRS由單獨的“RC框架3DPC墻”[34]組成，這些墻通過適當的細節處理和分離接頭與不參與抗震設計的墻體隔開，并通過連接/ bonding RC梁相互連接（見圖1）。“RC框架3DPC墻”（見圖2）包含一個內部RC框架，用于包裹墻體的打印部分。
提出的抗震設計方法
提出的抗震設計方法包括根據ASCE 7-22[44]確定抗震設計要求和量化抗震需求的內容，以及RC框架墻的設計（和承載能力）。
3DPC建筑的抗震倒塌評估以量化抗震性能參數
如前所述，SFRS的抗震設計需要了解抗震性能參數，而這些參數對于所提出的SFRS目前尚不可得。將通過使用所提出的SFRS設計的3DPC建筑進行FEMA P695評估來量化這些參數。FEMA P695方法論的示意圖見圖6。第一步是獲取關于該系統的信息，如其潛在應用、設計要求等。
本研究的局限性
本研究的局限性在于關于3DPC墻在平面內水平荷載下性能的實驗數據非常有限，而目前關于RC框架3DPC墻在平面內水平荷載下性能的唯一數據來自Aghajani Delavar[64]的研究，這些數據用于驗證本文中使用的數值建模方法。為了彌補相關實驗數據的不足，在性能評估分析中采用了較低的評級和較高的不確定性值。
總結與結論
本文提出了一種利用“RC框架3DPC墻”概念的SFRS，并量化了該SFRS的關鍵抗震性能參數，使其能夠應用ASCE 7[44]的等效側向力程序。這些性能參數包括響應修正系數R、超強度系數Ωο和撓度放大系數Cd，所有這些參數均通過FEMA P695方法論[45]進行量化。
作者貢獻聲明
Hao Chen：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、驗證、軟件開發、方法論研究、數據分析、正式分析、數據管理。Petros Sideris：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、驗證、監督、軟件開發、資源協調、項目管理、方法論研究、資金籌集、正式分析、數據管理、概念構思。Mohammad Aghajani Delavar：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、方法論研究。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了美國住房和城市發展部（HUD）在Grant #H21691CA項目下的資助。同時感謝德克薩斯A&M大學的高性能研究計算（HPRC）中心在數值模擬方面提供的幫助。本文中的任何觀點、發現、結論和建議僅代表作者本人，并不一定代表資助方的立場。
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